Sustitucion Nucleofilica

Haluros de alquilo: sustitución nucleofílica y eliminación DR. CARLOS ANTONIO RIUS ALONSO DEPTO. DE QUIMICA ORGANICA FACULTAD DE QUIMICA UNAM SEPTIEMBRE 2007

Polarización del enlace en el haluro de alquilo. En un haluro de alquilo el átomo de halógeno está enlazado a un átomo de carbono con hibridación sp3. El halógeno es más electronegativo que el carbono, y el enlace C-X está polarizado con una carga parcial positiva en el carbono y una carga parcial negativa en el halógeno

Cuanto más electronegativo es el átomo de halógeno, mayor es la polarización entre el enlace carbono-halógeno.

Representaciones con modelos CPK de los haluros de alquilo. Representaciones con modelos CPK de los haluros de alquilo. Los halógenos más pesados son más voluminosos, con áreas superficiales mucho más grandes La electronegatividad aumenta hacia la derecha y hacia arriba en la tabla periódica. El tamaño aumenta hacia la derecha y hacia abajo, por lo que el tamaño de los halógenos incrementa en el orden de F < Cl < Br < I.

Halogenación alílica. La bromación del ciclohexano da lugar a un buen rendimiento de 3-bromociclohexano, donde el bromo ha sustituido a un hidrógeno alílico del átomo de carbono próximo al doble enlace.

Cuando se utilizan bajas concentraciones de bromo, las posiciones alílicas son bromuradas selectivamente.

Mecanismo de bromación alílica. Esta bromación alílica selectiva se produce porque el intermedio alílico está estabilizado por resonancia. La abstracción de un átomo de hidrógeno alílico da lugar a un radical alílico estabilizado por resonancia. Este radical reacciona con Br2, regenerando un radical bromo.

La bromación alílica se produce a través de un mecanismo radical que da lugar a un radical alílico. Los radicales alílicos están estabilizados por resonancia con el enlace pi próximo a ellos.

Reacción total: bromación alílica Esta bromación alílica selectiva se produce porque el intermedio alílico está estabilizado por resonancia. La abstracción de un átomo de hidrógeno alílico da lugar a un radical alílico estabilizado por resonancia. Este radical reacciona con Br2, regenerando un radical bromo.

Cuando se utilizan bajas concentraciones de bromo, las posiciones alílicas son bromuradas selectivamente.

N-bromosuccinimida (NBS) Se debe evitar una concentración grande de bromo, ya que el bromo se puede adicionar al doble enlace . Con frecuencia se utiliza la N-bromosuccinimida como fuente de bromo en la bromación radicalica, ya que se combina con el subproducto HBr y genera una baja concentración de bromo.

NBS es una forma sencilla de asegurarse una baja concentración de bromo

Sustitución nucleofílica y reacciones de eliminación.  Los haluros de alquilo se convierten fácilmente en otros

grupos funcionales. El átomo de halógeno puede salir con su par de electrones de enlace para formar un ión haluro estable; se dice que un haluro es un buen grupo saliente.  Cuando otro átomo reemplaza al ión haluro, la reacción es una sustitución.  Si el ión haluro abandona la molécula junto con otro átomo o ión (con frecuencia el H+), la reacción es una eliminación  En una reacción de sustitución nucleofílica, el átomo de haluro se sustituye por un nucleófilo.  En una reacción de eliminación, el haluro se "elimina" de la molécula después de la abstracción de un hidrógeno por medio de una base fuerte. Las reacciones de eliminación producen alquenos.

Sustitución nucleofílica y reacciones de eliminación.

Sustitución nucleofílica del yodometano con ión hidróxido. El ión hidróxido es un nucleófilo fuerte (donante de un par de electrones) porque el átomo de oxígeno tiene pares de electrones no compartidos y una carga negativa. Al yodometano se le denomina sustrato, es decir, el compuesto que es atacado por el reactivo. El átomo de carbono del yodometano es electrofílico, ya que va unido a un átomo de yodo electronegativo. La densidad electrónica se representa alejada del carbono debido a la inducción ejercida por el átomo de halógeno, lo que hace que el átomo de carbono tenga una cierta carga positiva parcial. La carga negativa del ión hidróxido es atraída hacia esta carga positiva parcial.

El ión hidróxido ataca a la molécula de yodometano desplazando al ión yoduro y formando un enlace de carbono-oxígeno

Mecanismo SN2. El mecanismo siguiente muestra el ataque por el nucleófilo (ión hidróxido), el estado de transición y el desprendimiento del grupo saliente (ión yoduro).

El ión hidróxido ataca al carbono de la molécula de yodometano. En el estado de transición, existe un enlace que comienza a formarse entre el carbono y el oxígeno, y el enlace carbono-yoduro se rompe. La reacción produce un alcohol. Éste es un mecanismo concertado en el que todo pasa en un único paso.

Diagrama de energía de reacción. El diagrama de energía de reacción para la reacción del yoduro de metilo con el ión hidróxido muestra sólo un máximo de energía, el estado de transición; no hay intermedios El mecanismo SN2 es un ejemplo de reacción concertada. La formación de enlaces y la rotura de enlaces tiene lugar al mismo tiempo. Solamente hay un estado de transición formado por las dos moléculas (el ión hidróxido y el yodometano). No hay intermedios en esta reacción

Reacciones de intercambio de halógenos. El yoduro es un buen nucleófilo y muchos cloruros de alquilo reaccionan con yoduro de sodio para obtener yoduros de alquilo. Los fluoruros de alquilo son difíciles de sintetizar directamente, por lo que con frecuencia se obtienen tratando cloruros o bromuros de alquilo con KF; utilizando un éter y un disolvente aprótico que aumente la nucleofilia normalmente débil del ión fluoruro (véase Sección 6.10).

El haluro de un haluro de alquilo se pueden intercambiar por un haluro diferente. Esta reacción de intercambio a menudo se utiliza para sintetizar los fluoruros de alquilo. El ión fluoruro no es un buen nucleófilo, pero su nucleofilicidad se puede aumentar llevando a cabo la reacción en disolventes apróticos y utilizando un éter corona para "apartar" al catión del fluoruro.

Estados de transición para ataques del nucleófilo fuerte y débil.

Basicidad y nucleofilicidad.  Podríamos pensar que el metóxido es mucho mejor

nucleófilo porque es mucho más básico. Esto sería un error, ya que la basicidad y la nucleofilicidad son propiedades diferentes. La basicidad viene determinada por la constante de equilibrio para abstraer un protón. La nucleofilicidad se define por la velocidad de ataque sobre un átomo de carbono electrofílico para dar sustituciones o adiciones. En ambos casos, el nucleófilo (o base) forma un nuevo enlace; si el nuevo enlace lo forma un protón, ha reaccionado como una base, si el nuevo enlace lo forma con el carbono, ha reaccionado como un nucleófilo.

Basicidad y nucleofilicidad. Predecir de qué forma puede reaccionar una

especie podría ser difícil. La mayoría de los buenos nucleófilos (pero no todos) también son bases fuertes, y viceversa. Observando el producto formado podemos decidir si la base conjugada ha actuado como una base o como un nucleófilo. Si el nuevo enlace es un protón, ha reaccionado como una base; si el nuevo enlace lo forma con el carbono, ha reaccionado como un nucleófilo.

Basicidad y nucleofilia.

Nucleófilos comunes. Una base es un nucleófilo más fuerte que su ácido conjugado. En general, cuanto más electronegativo es el átomo, menos nucleofílico es.

Efecto de la polarizabilidad del nucleófilo en las reacciones SN2. Comparación de los iones fluoruro y yoduro como nucleófilos en las reacciones SN2. El fluoruro retiene fuertemente los electrones, que no pueden formar enlace CF hasta que los átomos están próximos. El yoduro retiene los electrones externos con menos fuerza, por lo que es más fácil que se forme un enlace en la reacción

Influencia del disolvente en la nucleofilicidad. En un disolvente prótico, los aniones pequeños se

solvatan más fuertemente que los grandes, ya que el disolvente se aproxima más a un ión pequeño y forma enlaces de hidrógeno más fuertes. Cuando un anión reacciona como nucleófilo, se requiere energía para «retirar» alguna de las moléculas de disolvente, rompiendo alguno de los enlaces de hidrógeno que estabilizaban al anión solvatado.

Influencia del disolvente en la nucleofilicidad. . Si el ión es más pequeño, como el fluoruro, se

requiere más energía para poder separar el disolvente de este ión que está fuertemente solvatado que de otro ión más grande, que está más débilmente solvatado, como el yoduro Los disolventes próticos polares rodearán al nucleófilo y reducirán su nucleofilia. Cuanto más pequeño sea el átomo, más solvatado estará y mayor será la reducción de la reactividad.

Influencia del disolvente en la nucleofilicidad.

Grupos salientes comunes. Los sulfonatos, los sulfatos y los fosfatos son buenos grupos salientes porque pueden deslocalizar la carga negativa sobre los átomos de oxígeno. Las moléculas neutrales son grupos salientes cuando la reacción se lleva a cabo en medios ácidos.

Influencia estérica del sustrato sobre las reacciones SN2. El ataque SN2 en un haluro de alquilo primario sencillo no está impedido; el ataque en un haluro de alquilo secundario está impedido, y el ataque en un haluro de alquilo terciario es imposible.

Influencia estérica del sustrato sobre las reacciones SN2. Para formar un enlace, el nucleófilo tiene que

encontrarse dentro de la distancia enlazante del carbono. Un haluro de alquilo estéricamente impedido evitará que el nucleófilo se acerque lo suficiente como para reaccionar.

Vista molecular de un ataque SN2. La reacción SN2 tiene lugar a través del ataque del nucleófilo sobre el lóbulo posterior del OM antienlazante del enlace C-Br. El ataque posterior o dorsal invierte el tetraedro del átomo de carbono, de forma similar a como el viento invierte un paraguas.

El nucleófilo ataca al carbono desde la parte posterior, opuesto al grupo saliente. Las reacciones SN2 siempre tendrán como resultado una inversión de la configuración del carbono que está siendo atacado. Los estereocentros que no están involucrados en la reacción no se invertirán

Mecanismo de inversión. El estado de transición de la reacción SN2 tiene una geometría bipiramidal trigonal con el nucleófilo y el grupo saliente a 180º de cada uno.

Inversión de la configuración. En algunos casos, la inversión de la configuración es muy clara; por ejemplo, cuando el cis-1-bromo-3-metilciclopentano experimenta un desplazamiento SN2 por el ión hidróxido, la inversión de la configuración da lugar al trans-3-metilciclopentanol

La inversión de la configuración no sólo puede cambiar la configuración absoluta, en el caso de los compuestos cíclicos también cambiará la geometría del cis al trans o viceversa. Las reacciones SN2 son estereoespecíficas

Mecanismo de una reacción SN1. Este tipo de sustitución se denomina reacción SN1

(sustitución nucleofílica unimolecular). El término unimolecular quiere decir que sólo una molécula está implicada en el estado de transición del paso limitante de la velocidad de reacción. El mecanismo de la reacción SN1 del bromuro de ter-butilo con metanol se muestra a continuación. La ionización del haluro de alquilo (primer paso) es el paso limitante de la velocidad.

Mecanismo de una reacción SN1. El primer paso del mecanismo es la formación del carbocatión. Es paso es lento y es el paso limitante de la velocidad. El segundo paso es el ataque nucleofílico del nucleófilo en el carbocatión. Si el nucleófilo fuera una molécula de agua o alcohol, se tendría que perder un protón con objeto de obtener un producto neutro

Pasos clave del mecanismo SN1. El mecanismo SN1 es un proceso de múltiples pasos. El primer paso es una ionización lenta para formar un carbocatión. El segundo paso es un ataque rápido de un nucleófilo al carbocatión. El carbocatión es un electrófilo fuerte y reacciona rápidamente tanto con un nucleófilo fuerte como con uno débil. En el caso de ataque de una molécula de alcohol o de agua (como nucleófilos), la pérdida de un protón da lugar al producto neutro final. A continuación se presenta el mecanismo general para la reacción SN1.

El mecanismo principal está formado por dos pasos: formación de un carbocatión y ataque nucleofílico. Dependiendo del nucleófilo se puede necesitar un tercer paso. Si actúa una molécula de alcohol o agua como un nucleófilo, se tendrá que perder un protón con objeto de obtener un producto neutro.

Diagramas de energía de las reacciones SN1 y SN2. Diagramas de energía de las reacciones SN1 y SN2. La

reacción SN1 tiene un mecanismo que consta de dos pasos, con dos estados de transición (‡1 y ‡2) y un carbocatión intermedio. La reacción SN2 sólo tiene un estado de transición y no tiene intermedios. La reacción SN1 tiene un carbocatión intermedio y proporcionará una mezcla de enantiómeros. La reacción SN2 tendrá como resultado una inversión de la configuración.

Diagramas de energía de las reacciones SN1 y SN2.

Efecto inductivo e hiperconjugación. El paso limitante de la velocidad de la reacción SN1 es la ionización para formar un carbocatión, proceso fuertemente endotérmico. El estado de transición para este proceso endotérmico se asemeja al carbocatión (postulado de Hammond), por lo que las velocidades de las reacciones SN1 tienen una dependencia de la estabilidad del carbocatión.

Efecto inductivo e hiperconjugación. Anteriormente, se vio cómo en los cationes alquilo el

carbocatión estaba estabilizado por la donación de electrones a través de los enlaces sigma (efecto inductivo) mediante el solapamiento de los orbitales llenos (hiperconjugación); por tanto, los carbocationes altamente sustituidos son más estables.

Estado de transición de la reacción SN1. En el estado de transición de la ionización SN1, el grupo saliente forma parte de la carga negativa. El enlace C-X se rompe y un grupo saliente polarizable todavía puede mantener un solapamiento sustancial

El estado de transición se asemeja al carbocatión

Disolución de los iones. La reacción SN1 está favorecida en disolventes polares, que estabilizan los iones intermedios. El paso limitante de la velocidad forma dos iones y la ionización tiene lugar en el estado de transición. Los disolventes polares solvatan estos iones debido a la interacción de los dipolos del disolvente con la carga del ión. Los disolventes próticos como los alcoholes y el agua son incluso disolventes más efectivos, ya que los aniones forman enlaces de hidrógeno con el átomo de hidrógeno del grupo -OH y los cationes, complejos con los electrones no enlazantes del átomo de oxígeno del grupo -OH. Los disolventes polares próticos, como los alcoholes, pueden solvatar mejor los iones formados durante una reacción SN1.

Racemización en la reacción SN1. Un átomo de carbono asimétrico experimenta racemización cuando se ioniza y se transforma en un carbocatión aquiral, plano. Un nucleófilo puede atacar al carbocatión desde cualquier cara, dando lugar, como producto, a cualquier enantiómero.

Racemización en la reacción SN1. Los carbocationes tienen orbitales híbridos sp2 y un

orbital vacío p. El nucleófilo puede aproximarse al plano del carbocatión desde arriba o desde abajo. Si el nucleófilo ataca por el mismo lado del grupo saliente, habrá una retención de configuración, pero si el nucleófilo ataca por el lado opuesto del grupo saliente la configuración se invertirá. Las reacciones SN1 forman mezclas de enantiómeros (racemización).

Reacción SN1 sobre un anillo En la reacción SN1 del cis-1-bromo-3-

deuteriociclopentano con metanol, el carbocatión puede ser atacado por cualquier cara. Como el grupo saliente (bromuro) bloquea parcialmente la cara frontal cuando se desprende, el ataque posterior (inversión de configuración) está ligeramente favorecido. El átomo de deuterio se utiliza para distinguir las caras del ciclopentano.

Reacción SN1 sobre un anillo

Transposición de hidruro en una reacción SN1. El producto reordenado, 2-etoxi-2-metilbutano, es el resultado de una transposición de hidruro: movimiento de un átomo de hidrógeno con su par de electrones de enlace. Una transposición de hidruro se representa por el símbolo ~H. En este caso, la transposición de hidruro convierte el carbocatión secundario inicialmente formado en un carbocatión terciario más estable. El ataque del disolvente a este último da lugar al producto de reordenamiento.

Transposición de hidruro en una reacción SN1. Una vez se haya formado el carbocatión, un

hidrógeno se desplaza (mueve) de uno de los carbonos cercanos al carbocatión para producir un carbocatión más estable. El mecanismo continuará con el ataque nucleofílico. Puesto que hay dos carbocationes intermedios, habrá dos productos

Transposición del metilo en una reacción SN1. Cuando se calienta el bromuro de neopentilo con etanol, la reacción sólo da un producto de sustitución reordenado. Este producto es debido a la transposición del metilo (representada por el símbolo ~CH3), la migración de un grupo metilo junto con su par de electrones. Sin reordenamiento, la ionización del bromuro de neopentilo daría lugar a un carbocatión primario muy inestable.

Transposición del metilo en una reacción SN1. La formación de un carbocatión primario no es

posible, por lo que la transposición del metilo y la formación del carbocatión se produce en un único paso para formar un carbocatión terciario. El ataque por el nucleófilo sobre el carbocatión proporciona el único producto obtenido de esta reacción.

Reacciones de eliminación: E1 y E2.  Una eliminación implica la pérdida de dos átomos o grupos

del sustrato, generalmente con la formación de un enlace pi. Dependiendo de los reactivos y de las condiciones en las que se encuentren, una eliminación debería ser un proceso de primer orden (E1) o de segundo orden (E2). Los siguientes ejemplos ilustran los tipos de eliminación que se tratarán en este capítulo.  De la misma forma que existe un SN1 y un SN2, existen dos mecanismos de eliminación, E1 y E2. Qué eliminación se producirá es una cuestión de las condiciones empleadas durante la reacción.

Reacciones de eliminación: E1 y E2.

Mecanismo E1.  En un segundo paso rápido, una base abstrae un protón del

átomo de carbono adyacente al C+. Los electrones que antes formaban el enlace carbono-hidrógeno ahora forman el enlace pi entre dos átomos de carbono. El mecanismo general de una reacción E1 es:  Al igual que el SN1, la reacción E1 implica un carbocationes intermedios. El primer paso es la ionización de la molécula para formar el carbocatión, seguido de la abstracción de un protón del carbono cercano. El producto principal de las reacciones de eliminación son los alquenos.

Mecanismo E1. En un segundo paso rápido, una base abstrae un protón del átomo de carbono adyacente al C+. Los electrones que antes formaban el enlace carbono-hidrógeno ahora forman el enlace pi entre dos átomos de carbono. El mecanismo general de una reacción E1 es

Competencia entre las reacciones SN1 y E1 El primer producto (2-metilpropeno) es el resultado

de la deshidrohalogenación, eliminación de hidrógeno y un átomo de halógeno. Bajo estas condiciones de primer orden (ausencia de base fuerte), se produce la deshidrohalogenación por un mecanismo E1: la ionización del haluro de alquilo da un intermedio carbocatiónico, que pierde un protón para formar un alqueno. El producto de sustitución es el resultado del ataque nucleofílico al carbocatión. El etanol sirve como base para la eliminación y como nucleófilo en la sustitución.

Competencia entre las reacciones SN1 y E1 El primer paso de los dos mecanismos es el mismo:

formación del intermedio carbocatiónico. El alcohol puede actuar como una base o como un nucleófilo. Si actúa como una base, la abstracción de un protón producirá un alqueno. Si el alcohol actúa como un nucleófilo, se obtendrá el producto de sustitución.

Competencia entre las reacciones SN1 y E1.

Modelo orbital para la eliminación E1. En el segundo paso del mecanismo E1, el átomo de

carbono adyacente debe rehibridarse a sp2 cuando la base ataca al protón y los electrones fluyen hacia el nuevo enlace pi. Las bases débiles se pueden utilizar en las reacciones E1, puesto que no se encuentran implicadas en el paso limitante de la velocidad de la reacción.

Modelo orbital para la eliminación E1.

Diagrama de energía de reacción para las reacciones E1. Diagrama de energía de reacción. El primer paso es

una ionización limitante de la velocidad de reacción. Compare este perfil de energía con el de las reacciones SN1. El mecanismo E1 conlleva dos pasos y un

intermedio. La formación del carbocatión intermedio tiene la energía de activación más elevada, por lo que será el paso limitante de la velocidad de la reacción.

Diagrama de energía de reacción para las reacciones E1.

Reordenamiento en el mecanismo E1. Como en otras reacciones mediadas por un carbocatión intermedio, en la E1 se pueden producir reordenamientos. Compare la siguiente reacción E1 (con reordenamiento) con la reacción SN1 del mismo sustrato

Cuando la reacción conlleva intermedios carbocatiónicos, habrá una posibilidad de reordenamientos, por lo que se obtendrá la mezcla de productos

Las reacciones E2. La eliminación también puede ser bimolecular en presencia de una base fuerte. A manera de ejemplo, considérese la reacción del bromuro de terc-butilo con ión metóxido en metanol

E2 muestra la misma preferencia de sustrato como E1, 3o > 2o > 1o . E2 necesita una base fuerte

Mecanismo E2. La velocidad de esta eliminación es proporcional a las concentraciones tanto del haluro de alquilo como de la base, dando lugar a una ecuación de velocidad de segundo orden. Esto es un proceso bimolecular; ya que participan el haluro de alquilo y la base en el estado de transición, por lo que este mecanismo se expresa como E2, forma abreviada de eliminación bimolecular

La reacción tiene lugar en un único paso, por lo que es una reacción concertada.

Mezcla de productos en las reacciones E2 Las reacciones E2 requieren la abstracción de un

protón de un átomo de carbono próximo al carbono que lleva el halógeno. Si hay dos o más posibilidades, se obtienen mezclas de productos. Los ejemplos siguientes muestran cómo la abstracción de protones diferentes puede dar lugar a productos diferentes. En general, el alqueno más sustituido será el producto principal de la reacción

Mezcla de productos en las reacciones E2

Estado de transición para las reacciones E2 Estados de transición concentrados de la reacción

E2. Los orbitales del átomo de hidrógeno y el haluro deben estar alineados para que puedan comenzar a formar un enlace pi en el estado de transición. El hidrógeno que se va a abstraer debería ser anticoplanar al grupo saliente para minimizar cualquier impedimento estérico entre la base y el grupo saliente. Una orientación sin-coplanar entre el hidrógeno y el grupo saliente creará una interacción repulsiva y aumentará la energía del estado de transición.

Estado de transición para las reacciones E2